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CN110380123A - 一种锂离子纽扣电池及其制备工艺 - Google Patents

一种锂离子纽扣电池及其制备工艺 Download PDF

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CN110380123A
CN110380123A CN201910619839.6A CN201910619839A CN110380123A CN 110380123 A CN110380123 A CN 110380123A CN 201910619839 A CN201910619839 A CN 201910619839A CN 110380123 A CN110380123 A CN 110380123A
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positive
monomer
cathode
lithium ion
coating
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孙伟兵
马卫
张天赐
陈中华
华诚
陈刚
江长清
杨梢
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Hubei Lithium Nuo Amperex Technology Ltd
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Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子纽扣电池及其制备工艺。本发明锂离子纽扣电池的制备工艺，包括步骤：(1)清洗钢带；(2)电镀铜：经清洗后，在钢带表面镀铜，形成镀铜钢带；(3)浆料涂布：将正极浆料涂布于镀铜钢带表面形成正极片，将负极浆料涂布于镀铜钢带表面形成负极片；(4)辊压及冲切：正、负极片进行辊压、冲切处理，得到正极单体和负极单体；(5)组装：按照正极单体→电解液→隔膜→电解液→密封圈→负极单体装配得到锂离子纽扣电池。本发明的锂离子纽扣电池的制备工艺降低了制备成本，简化了工艺流程，得到的锂离子纽扣电池不仅结构简单而且具有较好的电性能。

Description

一种锂离子纽扣电池及其制备工艺
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子纽扣电池及其制备工艺。
背景技术
锂离子电池根据形状的不同可分为方形电池、圆柱电池、纽扣电池等类型。纽扣电池具有轻薄、微小等特点广泛应用于电子手表、电子天平、电动玩具等小型便携式设备中。近年来，随着信息技术和移动通讯设备多功能化的发展，终端设备对电池容量、使用寿命和充放电性能等提出了更高的要求。目前广泛应用的纽扣电池有AgO电池、Zn-Mn电池、Li-MnO2电池等，其电池容量低、能量密度小、寿命有限且不可循环使用。锂离子纽扣电池具有能量密度大、放电电压高、充放电速度快、体积小、可循环充放电等优点，市场潜力巨大。此外锂离子纽扣电池在电池性能测试和评价方面也获得广泛应用。
传统锂离子纽扣电池由正极壳、正极片、隔膜、负极片、垫片和负极壳组成，正、负极壳采用不锈钢冲压获得，正、负极片由浆料涂布集流体上分切获得，如专利申请公告号为CN103840216A公开了一种锂离子扣式电池制作方法，其采用八步法按负极壳→泡沫镍→负极片→电解液→隔膜→电解液→正极片→正极壳→封口顺序装配。又如专利申请公告号为CN106058292A公开的一种制备锂离子扣式电池的方法，其将浆料涂布于铝箔集流体上干燥、辊压后切片，正负极片和正负极壳、隔膜人工多步装配。以上传统的锂离子纽扣电池制作工艺存在生产效率低、工序流程长、人工装配复杂、产品一致性差，此外制得的电池容量小、体积大、寿命短，无法满足高性能锂离子纽扣电池的性能要求。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种锂离子纽扣电池及制备工艺，降低了制备成本，简化了工艺流程，制备得到的锂离子纽扣电池不仅结构简单而且具有较好的电性能。
为实现上述目的，本发明所设计的锂离子纽扣电池的制备工艺，包括步骤：
(1)清洗钢带：将钢带浸泡在碱洗液中去除钢带表面的油污、灰尘，碱洗后对钢带进行水洗去除碱洗残留液，热风干燥；
(2)电镀铜：经清洗后，在钢带表面镀铜，形成镀铜钢带；
(3)浆料涂布：将正极浆料涂布于镀铜钢带表面形成正极片，将负极浆料涂布于镀铜钢带表面形成负极片，烘烤干燥后正极片形成正极涂层，负极片表面形成负极涂层；
(4)辊压及冲切：对正极片和负极片进行辊压、冲切处理，得到圆形的正极单体和圆形的负极单体；
(5)组装：
按照正极单体→电解液→隔膜→电解液→密封圈→负极单体的顺序进行装配得到锂离子纽扣电池。
与现有负极壳→泡沫镍→负极片→电解液→隔膜→电解液→正极片→正极壳→封口顺序装配工艺相比，本发明首先在钢带表面进行镀铜处理得到镀铜钢，然后将正极浆料涂覆在镀铜钢上形成正极单体，将负极浆料涂覆在镀铜钢上形成负极单体，其中钢带既作为锂离子纽扣电池的外壳又作为活性浆料的基体，用正极单体替代了传统的正极壳和正极片，用负极单体替代了传统的负极片和负极壳，减少了组件的组装步骤，简化了工艺流程；而且通过在钢带表面进行电镀铜处理，提高电池的导电性能，电池容量和电池倍率性能，不会因集流体的缺失造成电池电性能的降低。
作为优选方案，所述步骤(2)电镀铜步骤中，电镀铜所使用的电解液为0.2～0.5mol/L CuSO4+0.2～0.5mol/L H2SO4+蒸馏水；所述电镀铜对应的电流密度为5～10A/dm2。
作为优选方案，所述步骤(3)浆料涂布中，正极浆料活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的一种，负极活性物质为石墨、石墨烯、钛酸锂、锡基、硅碳负极材料中的一种。
作为优选方案，所述步骤(3)浆料涂布中，正极涂层和负极涂层的厚度为20～100um。
作为优选方案，所述步骤(3)浆料涂布中，通过涂布辊实现涂布工序，所述涂布辊的表面设有多个圆形网纹，多个圆形网纹在涂布辊的表面呈阵列排列，所述圆形网纹的直径均为10～35mm，相邻两个圆形网纹的间隔为5～10mm。利用具有圆形网纹的涂布辊将浆料涂布在钢带上，在钢带上能够得到呈阵列排列的圆形涂层，在步骤(4)冲切工序中，将钢带上的圆形涂层冲切下来，舍弃的钢带上不带有涂层，节省了浆料的使用，进一步节省成本。
作为优选方案，所述步骤(3)浆料涂布中，烘烤温度为80～150℃。
作为优选方案，所述步骤(4)辊压工序中，辊压量为10～45％。
作为优选方案，所述步骤(5)中，正极单体的直径比负极单体小0.5～1.5mm；所述隔膜为PE/PP聚烯烃膜、陶瓷隔膜、纤维隔膜中的一种；所述隔膜外径比正负极单体大；所述密封圈安装与正负极单体间进行密封；电池装配后在电池封口机上完成封装，获得纽扣电池。
一种锂离子纽扣电池，其特征在于，依次由正极单体17、电解液、隔膜18、电解液、密封圈19和负极单体20装配而成，所述正极单体包括正极基体17.1，电镀在正极基体上的正极铜镀层17.2以及涂布在正极铜镀层上的正极浆料层17.3，所述负极单体20包括负极基体20.1，电镀在负极基体上的负极铜镀层20.2以及涂布在负极铜镀层上的负极浆料层20.3。
作为优选方案，所述电镀所使用的电解液为0.2～0.5mol/L CuSO4+0.2～0.5mol/L H2SO4+蒸馏水；所述电镀的电流密度为5～10A/dm2。
作为优选方案，所述隔膜为PE/PP聚烯烃膜、陶瓷隔膜、纤维隔膜中的一种。
作为优选方案，所述正极基体17.1和负极基体20.1均为不锈钢钢片，钢片的厚度为10～30um。
附图说明
图1为本发明锂离子纽扣电池的制备工艺的流程图；
图2为涂布辊的结构示意图；
图3为正极单体的制备工艺流程图；
图4为本发明的锂离子纽扣电池结构示意图；
图5为图4的分解示意图；
其中，1—放卷单元；2—放卷导向辊；3—碱洗槽；4—水洗槽；5—干燥单元；6—镀铜单元；7—直流电源；8—涂布单元；81—涂布辊，81.1—圆形网纹；9—极片烘烤单元；10—辊压机；11—冲切机；12—收卷导向辊；13—收卷单元；14—钢带；17—正极单体；正极基体17.1；正极铜镀层17.2；正极浆料层17.3；18—隔膜；19—密封圈；20—负极单体；负极基体20.1；负极铜镀层20.2；负极浆料层20.3。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
为解决现有锂离子纽扣电池装配组件多，工序流程长的问题，本发明首先在钢带表面进行镀铜处理得到镀铜钢，然后将正极浆料涂覆在镀铜钢上形成正极单体，将负极浆料涂覆在镀铜钢上形成负极单体，其中钢带既作为锂离子纽扣电池的外壳又作为活性浆料的基体，用正极单体替代了传统的正极壳和正极片，用负极单体替代了传统的负极片和负极壳，减少了组件的组装步骤，简化了工艺流程。以下将通过具体的实施例来对本发明的锂离子纽扣电池的制备工艺的优选方式进行详细地说明。
实施例1
锂离子纽扣电池的制备工艺，结合图1所示，包括步骤：
(1)清洗钢带：钢带14由放卷单元1和放卷导向辊2输送至碱洗槽3和水洗槽4，将钢带14浸泡在碱洗槽3的碱洗液中去除钢带14表面的油污、灰尘，碱洗后对钢带14进行水洗去除碱洗残留液，进入干燥单元5进行热风干燥处理；
钢带14采用不锈钢材质，钢带14的厚度为10～30um；碱洗液为15％乙醇+5％NaOH+80％蒸馏水；水洗采用去离子水洗涤，热风干燥为热风对流干燥。
(2)电镀铜：经干燥后，进入镀铜单元6，在钢带表面镀铜，形成镀铜钢带；
电镀铜所使用的电解液为0.3mol/L CuSO4+0.3mol/L H2SO4+蒸馏水；电镀铜的直流电源7的电流密度为7A/dm2。
(3)浆料涂布：镀铜完成后，进入涂布单元8，将正极浆料涂布于镀铜钢带表面形成正极片，将负极浆料涂布于镀铜钢带表面形成负极片，经极片烘烤单元9烘烤干燥后正极片表面形成正极涂层，负极片表面形成负极涂层；
正极浆料的活性物质为钴酸锂，负极活性物质为石墨，浆料采用凹版涂布或刮刀涂布，通过涂布辊实现涂布工序，结合图2所示，涂布辊81的表面设有多个圆形网纹81.1，多个圆形网纹81.1在涂布辊81的表面呈阵列排列，圆形网纹81.1的直径均为10mm，相邻两个圆形网纹的间隔为5mm；干燥后，正极涂层和负极涂层的厚度均为20um。
(4)辊压及冲切：利用辊压机10对涂布处理后的负极片和正极片进行辊压处理，然后利用冲切机11进行冲切处理，得到圆形的正极单体17和圆形的负极单体20；
结合图3进一步说明正极单体17的制备过程，首先是在钢带14表面镀上一层正极铜镀层17.2，然后利用涂布辊在正极铜镀层17.2表面涂覆多个圆形的正极浆料层17.3，多个正极浆料层17.3在钢带上呈阵列排布，最后由冲切机11冲切成多个圆形极片，即形成正极单体17。负极单体20的制备过程与正极单体17大致相同，区别在于负极单体20中涂覆的为负极浆料。
为了后期的组装，冲切的正极单体17的直径比负极单体20小0.5mm。
整条生产线由放卷单元1，放卷导向辊2，收卷导向辊12；收卷单元13，实现正极单体17和负极单体20的连续生产。
(5)组装：
按照正极单体17→电解液→隔膜18→电解液→密封圈19→负极单体20的顺序进行装配得到锂离子纽扣电池。
隔膜为PE/PP聚烯烃膜；密封圈安装与正负极单体间进行密封；隔膜外径比正负极单体大；电池装配后在电池封口机上完成封装，获得锂离子纽扣电池。
得到的锂离子纽扣电池的结构结合图4和图5所示，依次由正极单体17、电解液、隔膜18、电解液、密封圈19和负极单体20装配而成，正极单体包括正极基体(不锈钢钢片)17.1，电镀在正极基体上的正极铜镀层17.2以及涂布在正极铜镀层上的正极浆料层17.3，负极单体20包括负极基体(不锈钢钢片)20.1，电镀在负极基体上的负极铜镀层20.2以及涂布在负极铜镀层上的负极浆料层20.3。
实施例2
锂离子纽扣电池的制备工艺，结合图1所示，包括步骤：
(1)清洗钢带：钢带14由放卷单元1和放卷导向辊2输送至碱洗槽3和水洗槽4，将钢带14浸泡在碱洗槽3的碱洗液中去除钢带14表面的油污、灰尘，碱洗后对钢带14进行水洗去除碱洗残留液，进入干燥单元5进行热风干燥处理；
钢带14采用不锈钢材质，钢带14的厚度为20um；碱洗液为20％乙醇+5％NaOH+75％蒸馏水；水洗采用蒸馏水洗涤，热风干燥为红外干燥。
(2)电镀铜：经干燥后，进入镀铜单元6，在钢带表面镀铜，形成镀铜钢带；
电镀铜所使用的电解液为0.5mol/L CuSO4+0.5mol/L H2SO4+蒸馏水；电镀铜的直流电源7的电流密度为5A/dm2。
(3)浆料涂布：镀铜完成后，进入涂布单元8，将正极浆料涂布于镀铜钢带表面形成正极片，将负极浆料涂布于镀铜钢带表面形成负极片，经极片烘烤单元9烘烤干燥后正极片表面形成正极涂层，负极片表面形成负极涂层；
正极浆料的活性物质为锰酸锂，负极活性物质为石墨烯，浆料采用凹版涂布或刮刀涂布，通过涂布辊实现涂布工序，结合图2所示，涂布辊81的表面设有多个圆形网纹81.1，多个圆形网纹81.1在涂布辊81的表面呈阵列排列，圆形网纹81.1的直径均为20mm，相邻两个圆形网纹的间隔为8mm；干燥后，正极涂层和负极涂层的厚度为50um。
(4)辊压及冲切：利用辊压机10对涂布处理后的负极片和正极片进行辊压处理，然后利用冲切机11进行冲切处理，得到圆形的正极单体17和圆形的负极单体20；
结合图3进一步说明正极单体17的制备过程，首先是在钢带14表面镀上一层正极铜镀层17.2，然后利用涂布辊在正极铜镀层17.2表面涂覆多个圆形的正极浆料层17.3，多个正极浆料层17.3在钢带上呈阵列排布，最后由冲切机11冲切成多个圆形极片，即形成正极单体17。负极单体20的制备过程与正极单体17大致相同，区别在于负极单体20中涂覆的为负极浆料。
为了后期的组装，冲切的正极单体17的直径比负极单体20小1.0mm。
整条生产线由放卷单元1，放卷导向辊2，收卷导向辊12；收卷单元13，实现正极单体17和负极单体20的连续生产。
(5)组装：
按照正极单体17→电解液→隔膜18→电解液→密封圈19→负极单体20的顺序进行装配得到锂离子纽扣电池。
隔膜为陶瓷隔膜；密封圈安装与正负极单体间进行密封；隔膜外径比正负极单体大；电池装配后在电池封口机上完成封装，获得锂离子纽扣电池。
实施例3
锂离子纽扣电池的制备工艺，结合图1所示，包括步骤：
(1)清洗钢带：钢带14由放卷单元1和放卷导向辊2输送至碱洗槽3和水洗槽4，将钢带14浸泡在碱洗槽3的碱洗液中去除钢带14表面的油污、灰尘，碱洗后对钢带14进行水洗去除碱洗残留液，进入干燥单元5进行热风干燥处理；
钢带14采用不锈钢材质，钢带14的厚度为30um；碱洗液为10％乙醇+2％NaOH+88％蒸馏水；水洗采用蒸馏水洗涤，热风干燥为红外干燥。
(2)电镀铜：经干燥后，进入镀铜单元6，在钢带表面镀铜，形成镀铜钢带；
电镀铜所使用的电解液为0.2mol/L CuSO4+0.2mol/L H2SO4+蒸馏水；电镀铜的直流电源7的电流密度为10A/dm2。
(3)浆料涂布：镀铜完成后，进入涂布单元8，将正极浆料涂布于镀铜钢带表面形成正极片，将负极浆料涂布于镀铜钢带表面形成负极片，经极片烘烤单元9烘烤干燥后正极片表面形成正极涂层，负极片表面形成负极涂层；
正极浆料的活性物质为镍钴铝酸锂，负极活性物质为硅碳，浆料采用凹版涂布或刮刀涂布，通过涂布辊实现涂布工序，结合图2所示，涂布辊81的表面设有多个圆形网纹81.1，多个圆形网纹81.1在涂布辊81的表面呈阵列排列，圆形网纹81.1的直径均为35mm，相邻两个圆形网纹的间隔为10mm；干燥后，正极涂层和负极涂层的厚度为100um。
(4)辊压及冲切：利用辊压机10对涂布处理后的负极片和正极片进行辊压处理，然后利用冲切机11进行冲切处理，得到圆形的正极单体17和圆形的负极单体20；
结合图3进一步说明正极单体17的制备过程，首先是在钢带14表面镀上一层正极铜镀层17.2，然后利用涂布辊在正极铜镀层17.2表面涂覆多个圆形的正极浆料层17.3，多个正极浆料层17.3在钢带上呈阵列排布，最后由冲切机11冲切成多个圆形极片，即形成正极单体17。负极单体20的制备过程与正极单体17大致相同，区别在于负极单体20中涂覆的为负极浆料。
为了后期的组装，冲切的正极单体17的直径比负极单体20小1.5mm。
整条生产线由放卷单元1，放卷导向辊2，收卷导向辊12；收卷单元13，实现正极单体17和负极单体20的连续生产。
(5)组装：
按照正极单体17→电解液→隔膜18→电解液→密封圈19→负极单体20的顺序进行装配得到锂离子纽扣电池。
隔膜为陶瓷隔膜；密封圈安装与正负极单体间进行密封；隔膜外径比正负极单体大；电池装配后在电池封口机上完成封装，获得锂离子纽扣电池。
对比例：
对比例为采用相同正、负极浆料材料制得的CR2032纽扣电池，正极浆料涂布于厚度为16um的铝箔集流体上，负极浆料涂布于10um铜箔集流体上。该纽扣电池由正极壳、正极片、隔膜、垫片、负极片、负极壳组成，按照正极壳→正极片→电解液→隔膜→电解液→负极片→垫片→负极壳的顺序进行装配。
表1为本发明实施例制得锂离子纽扣电池的和对比例的首次放电容量和不同倍率放电容量保持率数据。
表1纽扣电池放电比容量及倍率性能数据
从表1可以看出，本发明得到的锂离子纽扣电池的放电比容量和倍率性能均优于传统的CR2032纽扣电池。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种锂离子纽扣电池的制备工艺，其特征在于，包括步骤：
(1)清洗钢带：将钢带浸泡在碱洗液中去除钢带表面的油污、灰尘，碱洗后对钢带进行水洗去除碱洗残留液，热风干燥；
(2)电镀铜：经清洗后，在钢带表面镀铜，形成镀铜钢带；
(3)浆料涂布：将正极浆料涂布于镀铜钢带表面形成正极片，将负极浆料涂布于镀铜钢带表面形成负极片，烘烤干燥后正极片表面形成正极涂层，负极片表面形成负极涂层；
(4)辊压及冲切：对涂布处理后的负极片和正极片进行辊压、冲切处理，得到圆形的正极单体和圆形的负极单体；
(5)组装：
按照正极单体→电解液→隔膜→电解液→密封圈→负极单体的顺序进行装配得到锂离子纽扣电池。
2.根据权利要求1所述的锂离子纽扣电池的制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)电镀铜步骤中，电镀铜所使用的电解液为0.2～0.5mol/L CuSO4+0.2～0.5mol/L H2SO4+蒸馏水；所述电镀铜对应的电流密度为5～10A/dm2。
3.根据权利要求1所述的锂离子纽扣电池的制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)浆料涂布中，正极浆料的活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂中的一种，负极浆料的活性物质为石墨、石墨烯、钛酸锂、锡基、硅碳负极材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的锂离子纽扣电池的制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)浆料涂布中，正极涂层和负极涂层的厚度为20～100um。
5.根据权利要求1所述的锂离子纽扣电池的制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)浆料涂布中，通过涂布辊实现涂布工序，所述涂布辊的表面设有多个圆形网纹，多个圆形网纹在涂布辊的表面呈阵列排列，所述圆形网纹的直径均为10～35mm，相邻两个圆形网纹的间隔为5～10mm。
6.一种锂离子纽扣电池，其特征在于，依次由正极单体(17)、电解液、隔膜(18)、电解液、密封圈(19)和负极单体(20)装配而成，所述正极单体包括正极基体(17.1)、电镀在正极基体上的正极铜镀层(17.2)以及涂布在正极铜镀层上的正极浆料层(17.3)，所述负极单体(20)包括负极基体(20.1)、电镀在负极基体上的负极铜镀层(20.2)以及涂布在负极铜镀层上的负极浆料层(20.3)。
7.根据权利要求6所述的锂离子纽扣电池的制备工艺，其特征在于，所述正极基体(17.1)和负极基体(20.1)均为不锈钢钢片，钢片的厚度为10～30um。
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